基于PLC網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的珩磨機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

唐中燕

(華北電力大學(xué)，河北保定071003)

珩磨機(jī)是一種利用珩磨頭珩磨工件精加工表面的磨床，主要用在汽車(chē)、拖拉機(jī)、液壓件、軸承、航空等制造業(yè)中珩磨工件的孔。珩磨加工要求珩磨機(jī)床控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)珩磨頭徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的控制，且在加工時(shí)需要有精確的位置定位精度。對(duì)于這種要求精確定位的位置控制系統(tǒng)，應(yīng)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的伺服系統(tǒng)控制。

為了便于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取電動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息，在線(xiàn)修改電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置，直接、簡(jiǎn)捷地控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，主控制器可通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器實(shí)施網(wǎng)絡(luò)控制。驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)控制是指利用通信的手段，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換、驅(qū)動(dòng)器調(diào)試監(jiān)控以及運(yùn)行過(guò)程控制的功能。這里介紹一種將PLC技術(shù)應(yīng)用于高精度珩磨機(jī)床的控制系統(tǒng)。即PLC作為主控制器，通過(guò)串行通信與控制網(wǎng)絡(luò)控制伺服驅(qū)動(dòng)器及變頻器等的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)珩磨機(jī)位置伺服控制功能。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

珩磨機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由伺服驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)完成，主運(yùn)動(dòng)由變頻器帶動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)完成。控制系統(tǒng)要求具備手動(dòng)和自動(dòng)功能。手動(dòng)用于工藝參數(shù)的設(shè)置，如分段位置值和速度值。自動(dòng)用于完成循環(huán)加工過(guò)程。實(shí)際中要求珩磨頭能夠做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且完成一定次數(shù)的短沖。

根據(jù)珩磨機(jī)加工原理和控制要求，控制系統(tǒng)由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器及觸摸屏等組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。采用RS－485總線(xiàn)構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，以主從式結(jié)構(gòu)，主站(PLC)對(duì)各從站(伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器等)進(jìn)行運(yùn)行控制，即PLC通過(guò)RS－485總線(xiàn)與伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器通信，完成對(duì)它們控制命令字寫(xiě)入和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)字讀取功能。伺服驅(qū)動(dòng)器主要完成電動(dòng)機(jī)多段速度給定，即通過(guò)編碼器接口檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際位置，對(duì)應(yīng)不同的位置分段寫(xiě)入相應(yīng)的加工速度命令，利用其基本定位功能進(jìn)行位置控制。同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器讀取電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息(運(yùn)行狀態(tài)字、電動(dòng)機(jī)位置、實(shí)際速度、實(shí)際轉(zhuǎn)矩)并上傳給PLC。變頻器用于控制主軸電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)速度和連續(xù)速度給定，同時(shí)將主軸運(yùn)行狀態(tài)信息(實(shí)際速度、實(shí)際轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)溫度)上傳給PLC。

PLC采用三菱Q系列 PLC:Q02HCPU模塊、Q61P電源、QJ71C24N串行通信模塊及Q38B基板。伺服驅(qū)動(dòng)器采用三菱網(wǎng)絡(luò)控制型交流伺服驅(qū)動(dòng)器MR－J3。變頻器采用三菱FR－E740－CHT。C24N為Q系列PLC的專(zhuān)用串行通信模塊，支持RS－232C、RS－422、RS－485三種串行通信接口傳輸標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用RS－485接口方式的一對(duì)多連接。變頻器側(cè)的RS－485接口使用PU口。伺服驅(qū)動(dòng)器的通信接口為CN3。

通信前C24N模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器通信接口、變頻器通信接口需分別進(jìn)行通信參數(shù)的設(shè)置。

MR－J3通信接口規(guī)范:RS－485;通信協(xié)議與方式:ASCII字符傳輸協(xié)議，異步/半雙工通信;數(shù)據(jù)幀格式與長(zhǎng)度:11位，起始位1/數(shù)據(jù)位8/奇偶校驗(yàn)位1/停止位1。MR－J3通信接口其他通信參數(shù)設(shè)置如下:

PC20:從站地址，設(shè)為0。

PC21.1:通信速率，設(shè)為 4，38 400 bit/s。

PC21.3:通信延時(shí)，設(shè)為 0，無(wú)延時(shí)。

E740的PU口通信參數(shù)設(shè)置如下:

Pr79:從站地址，設(shè)為1。

Pr118:通信速率，設(shè)為 384，38 400 bit/s。

Pr119:停止位長(zhǎng)，設(shè)為11，數(shù)據(jù)8位，停止位1位。

Pr120:校驗(yàn)，設(shè)為1，奇校驗(yàn)。

Pr118:通信速率，設(shè)為 384，38 400 bit/s。

Pr123:通信延時(shí)，設(shè)為0，無(wú)延時(shí)。

Pr124:有無(wú) CR、LF，設(shè)為 2，有 CR、LF。

Pr549:通信協(xié)議選擇，設(shè)為0，專(zhuān)用通信協(xié)議。

2 PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器及變頻器的通信

在該控制系統(tǒng)中，PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器及變頻器間的通信是實(shí)施網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵。下面介紹通信的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的通信

在數(shù)據(jù)通信或網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)，MR－J3只能以從站的形式接入系統(tǒng)，因此，MR－J3只能接收主站的控制命令，并根據(jù)命令要求進(jìn)行相關(guān)操作。MR－J3與PLC的通信過(guò)程如下:

①PLC執(zhí)行通信程序，向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制命令。

②驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制命令要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭氩僮?通信處理)，完成后向PLC返回執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)(如返回讀出的參數(shù)值或命令執(zhí)行時(shí)的錯(cuò)誤信息等)。

③PLC執(zhí)行通信程序，從驅(qū)動(dòng)器接收?qǐng)?zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)，并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)處理(數(shù)據(jù)處理)。

PLC通過(guò)其串行通信模塊C24N與MR－J3系列伺服驅(qū)動(dòng)器通信時(shí)應(yīng)采用MR－J3的專(zhuān)用協(xié)議。該協(xié)議下的控制命令格式與執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)格式如圖2～3。

PLC執(zhí)行通信程序，發(fā)送格式A、格式B形式的控制命令，接收格式C、格式D形式的執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)器的通信。其中指令代碼規(guī)定了驅(qū)動(dòng)器要進(jìn)行的操作;數(shù)據(jù)號(hào)用于指定參數(shù)號(hào)、運(yùn)行參數(shù)等;指令數(shù)據(jù)為1～16幀，用于數(shù)據(jù)寫(xiě)入與運(yùn)行控制命令，以發(fā)送參數(shù)值等;讀出數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部工作狀態(tài)數(shù)據(jù)或參數(shù)值;出錯(cuò)代碼為命令執(zhí)行時(shí)的錯(cuò)誤信息。

鑒于PLC通信程序的編寫(xiě)與調(diào)試非常繁復(fù)，三菱電動(dòng)機(jī)提供了用于配置C24系列模塊的各種參數(shù)和進(jìn)行可視化編程的軟件包CX Cconfigurator－SC。所以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及通信程序編制都是通過(guò)該軟件的。編寫(xiě)PLC通信程序前，需先制作發(fā)送功能塊與接收功能塊。通過(guò)CX Configurator－SC軟件包中的FB Support功能完成PLC功能塊的制作。發(fā)送功能塊與接收功能塊的制作具體有3步:

①控制命令格式與執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)格式的制作。

按照驅(qū)動(dòng)器通信協(xié)議規(guī)定的格式A、格式B制作發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式;按照驅(qū)動(dòng)器通信協(xié)議規(guī)定的格式C、格式D制作接收數(shù)據(jù)幀格式。

②控制命令內(nèi)容與執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)內(nèi)容的制作。

按照格式A、格式B填入相應(yīng)的發(fā)送內(nèi)容(數(shù)據(jù)或形參);按照格式C、格式D填入相應(yīng)的接收內(nèi)容(數(shù)據(jù)或形參)。

③發(fā)送與接收功能塊的制作。

制作的功能塊用于完成數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

根據(jù)珩磨機(jī)運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn)和工藝參數(shù)要求，發(fā)送數(shù)據(jù)主要用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)多段速度命令給定，接收數(shù)據(jù)主要用于電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的讀取。

最后分別對(duì)各功能塊編譯后就可以用其編制PLC通信程序了。

2.2 PLC與變頻器的通信

三菱FR系列變頻器在使用本機(jī)自帶的串口時(shí)可使用兩種通信協(xié)議:三菱變頻器專(zhuān)用協(xié)議和 Modbus協(xié)議。三菱變頻器專(zhuān)用協(xié)議的幀格式是完全公開(kāi)的，本設(shè)計(jì)使用專(zhuān)用協(xié)議。由于在網(wǎng)絡(luò)中FR也是作為從站，所以FR也只能接收主站的控制命令，并根據(jù)命令要求進(jìn)行相關(guān)操作。FR與PLC的通信過(guò)程和MR－J3與PLC的通信過(guò)程相同，但其通信協(xié)議下的控制命令格式與執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)格式與MR－J3的不同，其控制命令格式與執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)格式如圖4～5所示。

按照變頻器的通信協(xié)議編寫(xiě)PLC通信程序，實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的通信。如前所述，該通信程序的編寫(xiě)也是利用軟件包CX Cconfigurator－SC中的FB Support功能，先制作發(fā)送功能塊與接收功能塊，再編寫(xiě)PLC通信程序。

3 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了基于RS－485的主從式控制網(wǎng)絡(luò)。利用該網(wǎng)絡(luò)中主站PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、易于編程、能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制等特點(diǎn)，通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)各伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器等的運(yùn)行控制，簡(jiǎn)捷地實(shí)現(xiàn)了珩磨機(jī)的位置伺服控制。

該控制系統(tǒng)實(shí)施的控制方法簡(jiǎn)單方便，控制功能更加完善，同時(shí)利用觸摸屏可以隨時(shí)了解和控制加工過(guò)程與工藝參數(shù)，對(duì)各種故障的及時(shí)記錄并報(bào)警，從而完全實(shí)現(xiàn)了珩磨機(jī)加工過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

［1］龔仲華.交流伺服驅(qū)動(dòng)器從原理到完全應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［2］王輝.三菱電動(dòng)機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.